Az elhízott alanyok csökkentett étrendi szénhidrát-bevitele a butirát és a butirátot termelő baktériumok koncentrációjának csökkenését eredményezi a székletben ▿

Sylvia H. Duncan

Mikrobiális ökológiai csoport, 1 Skót biomatematika és statisztika, 2 anyagcsere-egészségügyi csoport, Rowett Kutatóintézet, Greenburn Road, Bucksburn, Aberdeen AB21 9SB, Egyesült Királyság 3

Alvaro Belenguer

Grietje Holtrop

Alexandra M. Johnstone

Harry J. Flint

Gerald E. Lobley

Absztrakt

Azoknál a testsúlycsökkentő étrendek az emberek számára, amelyek a magas fehérjebevitelen, de az erjedhető szénhidrátok alacsony bevitelén alapulnak, megváltoztathatják a mikrobiális aktivitást és a vastagbél baktériumpopulációját, és ezáltal hatással lehetnek a bél egészségére. Ebben a vizsgálatban 19 egészséges, elhízott (testtömeg-index tartomány, 30 és 42) önkéntesnek adtak egymás után három különböző étrendet: fenntartó (M) 3 napig (399 g szénhidrát/nap), majd magas fehérjetartalmú/közepes (164 g)/nap) szénhidrát (HPMC) és magas fehérjetartalmú/alacsony (24 g/nap) szénhidrát (HPLC) 4 hétig. A székletmintákat minden étrend végén összegyűjtöttük. Az összes széklet rövid láncú zsírsavja 114 mM, 74 mM és 56 mM (P2) volt 35,4 ± 0,9 (tartomány: 30 és 42). Az önkénteseket a metabolikus szindróma indexeinek hiánya alapján választották ki, és nem voltak kórtörténetükben emésztőrendszeri problémák. A vizsgálat során nem vettek be olyan antibiotikumokat vagy gyógyszereket, amelyekről ismert, hogy befolyásolják a széklet mikrobiotáját. Az etikai jóváhagyást a Grampian Kutatási Etikai Bizottság adta, és minden önkéntes tájékoztatott, aláírt beleegyezéssel szolgált.

Kísérleti terv.

Ez a 9 hetes periódus alatt elvégzett tanulmány három 3 napos bevitelt tartalmazott az energia fenntartása során, két közbeiktatott fő étrendi periódussal, alacsony vagy közepes szénhidrátfogyasztással, mindkettőt 28 napig, az alanyok közötti randomizált sorrendben. A székletmintákat három alkalommal, az első fenntartási időszakban 3 nap után, az utolsó 2 napban pedig az egyes fő étrendeken vettük össze. Az élelmiszer-bevételt súly szerint számszerűsítettük, az esetleges elutasításokat is mérlegeltük.

Kísérleti étrend.

Az önkéntesek testsúlyuk stabil (az utóbbi hónapokban kevesebb mint 2 kg-os változás történt) a vizsgálatba való belépéskor, majd 3 napig energiafenntartó (M) étrendet kínáltak nekik (az 1,6-szoros nyugalmi anyagcsere-sebesség alapján). Ez az étrend 13% fehérjét, 52% szénhidrátot és 35% zsírt tartalmazott kalóriában. Az alanyoknak ezután ad libitum két étrendet ajánlottak fel, amelyek vagy magas fehérjetartalmú, alacsony szénhidráttartalmú (HPLC; 30% fehérje, 4% szénhidrát, 66% kalória zsír) vagy magas fehérjetartalmú, közepesen szénhidráttartalmú (HPMC; 30% fehérje, 35% szénhidrát, 35% zsír) étrend, mindegyiket 4 hétig, randomizált crossover kialakításban. A két fő étrendi időszak között és a vizsgálat végén az alanyoknak 3 napig fenntartó étrendet adtak. Minden étkezés azonos energiasűrűségű volt (5,5 MJ/kg), és a napi bevitelt súly szerint rögzítettük. A napi makrotápanyag-bevitelt a Windiet szoftverprogram (Robert Gordon University, Aberdeen, Egyesült Királyság) alkalmazásával számoltuk az egyes elfogyasztott összetevők típusa és mennyisége, valamint a közzétett élelmiszer-összetételi táblázatok alapján (24). Az étrend bevitelét elemeztük (Johnstone és mtsai., Benyújtva) fenntartási, HPMC és HPLC étrendekhez (táblázat (1. táblázat 1).

ASZTAL 1.

Étrendi bevitel (g/nap), amely a székletmintát megelőző 7 nap átlagértékeit jelzi (3 nap fenntartó étrend esetén)

2. TÁBLÁZAT.

A 16S rRNS-célzott fluoreszcencia in situ hibridizációs próbák által felismert baktériumcsoportok

ProbeProbe targetReference for probe

Eub338	Domain baktériumok	2
Erec482	Clostridialis klaszterek XIVa és XIVb	25
Bac303	Bacteroides-Prevotella csoport	42
Fprau645	F. prausnitzii csoport (a IV. Klaszter alcsoportja)	57
Bif164	Bifidobacterium nemzetség	38
Rbro730/Rfla729	Ruminococcus bromii és Ruminococcus flavefaciens (a IV. Klaszter alcsoportja)	31
Rrec584	Roseburia és Eubacterium csoport (a XIVa klaszter alcsoportja)	60
Lab158	Lactobacillus-Enterococcus csoport	30
Prop853	Clostridialis klaszter IX	60
Dsv698	Szulfát-redukáló baktériumok	43

Fermentációs termék elemzése.

A minták SCFA-tartalmát kapilláris gázkromatográfiával határoztuk meg t-butil-dimetil-szilil-származékokká történő átalakítást követően (52). Az egyes termékek megbízható kimutatásának alsó határát 0,2 mM-nek vettük. Az ammónia koncentrációit steril vízzel (1: 3) hígított mintákban elemeztük, majd nátrium-fenáttal és nátrium-hipoklorittal reagáltattuk, az előállított indofenol-kék optikai sűrűségét 625 nm-en határoztuk meg (62).

Statisztikai analízis.

A széklet mikrobiotájának változásai.

4. TÁBLÁZAT.

Baktériumcsoportok (az Eub338 szám százalékában kifejezett számok) és az összes baktérium (log Eub338 szám/g széklet) bősége

Diet a Bac303Fprau645Rfla729 és Rbro730Bif164Erec482Prop853Lab158Dsv698Rrec584Erec-Rrec

M	28.84	13.48	10.84	4,01 A	21.14	8.51	0,41	0.11	11.40 A	9,74 A	10,71 A
HPMC	29.96	11.39	10.00	2,09 B	24.40	10.76	0.11	0,13	7,79 B	16,61 B	10.55 B
HPLC	29.85	9.98	7.02	1,87 B	24.48	8.59	0,15	0,18	3,32 ° C	21,16 ° C	10.56 B
SED b	2.32	1.72	1.99	0,88	2.03	1.45	0,20	0,04	1.11	2.16	0,05
P b	0,774	0,089	0,102	0,026	0,173	0,254	0,353 c	0,238	a n = 18 megfigyelés az M és a HPLC étrendekhez és 16 megfigyelés a HPMC étrendhez.

Fenntartó étrenden az Rrec584 szondával kimutatott baktériumok, a XIVa clostridialis klaszter egyik alcsoportja átlagosan az összes Eub338 szám 11% -át (tartomány 6, 21%) tette ki (táblázat (4. táblázat). 4). Ez valamivel magasabb, mint a közelmúltban jelentették az azonos szondával rendelkező nem elhízott egyének esetében (3, 60). Az Rrec584 próbával megcélzott baktériumok jelentős csökkenést mutattak (P 4. táblázat) 4), mivel a szénhidrátbevitel csökkent. Ez a baktériumcsoport magában foglalja a Roseburia zarnu és az Eubacterium rectale közeli hozzátartozóit, és minden tenyésztett képviselőnél a tiszta tenyészetben oldódó cukrokból származó fermentáció fő terméke a butirát (6, 18, 50). Az ebben a csoportban lévő baktériumok számának csökkenése az egy gramm székletben párhuzamosan csökkentette a széklet butirát koncentrációját (2. ábra. 2. ábra). Ezt a kapcsolatot minden egyes egyénen belül is megfigyelték (az adatokat nem közöljük). Érdekes módon a Faecalibacterium prausnitzii rokonai, amelyeket szintén a butirát-termelő baktériumok potenciálisan fontos csoportjaként azonosítottak (6), kevésbé reagáltak az étrend csökkent szénhidrátra és gyengébb viszonyt mutattak (r = 0,36, P = 0,005 a REML alapján ) széklet-butirát koncentrációval.

A fenntartó, HPMC vagy HPLC étrendet fogyasztó önkéntesek különböző baktériumcsoportok átlagos aránya az ürülékben (a FISH értékelte; szintén a 4. táblázat táblázata). 4). A baktériumcsoportok a következőképpen vannak ábrázolva: Bac, Bacteroides spp. Bac303 detektálta; XIVaR, Roseburia spp. és E. rectale, amelyet Rrec584 detektált; XIVa-R, XIVa clostridialis klaszter, amelyet az Erec482 detektált, mínusz az Rrec584 által detektáltak; IVR, IV klaszter ruminococcusok, amelyeket az Rfla729 és Rbro730 mutattak ki; IVFp, F. prausnitzii detektálta Fprau645; IX, clostridialis cluster IX baktériumok, amelyeket a Prop853 detektált; Bif, Bifidobacterium spp. Bif164 által detektált; DSV, szulfát-redukáló baktériumok, amelyeket a Dsv698 detektált; ismeretlen, a széles Eub338 szondával kimutatott baktériumok, amelyekről az alkalmazott csoportos próbák nem számoltak be.

VITA

Ezen étrendi beavatkozások bélmikrobiális közösségre gyakorolt hatásának vizsgálatához célzott próbákból álló panelt alkalmaztunk, amely az összes észlelt székletbaktérium 82–89% -át tette ki, ami arra utal, hogy a domináns fajok nagy része lefedett. A tiszta tenyészetekkel végzett korábbi vizsgálatok jelzik az emberi vastagbél baktériumok különböző filogenetikai csoportjainak fő szubsztrátjait és metabolikus termékeit (6, 23, 54, 55), bár meg kell jegyezni, hogy a metabolikus keresztetetés a vastagbél fontos jellemzője mikrobiális ökoszisztéma (7, 19). A rendelkezésre álló bizonyítékok arra utalnak, hogy a faji összetétel jelentős hasonlóságot mutat az ürülék és a vastagbélminták között (22, 32). Hangsúlyozni kell azonban, hogy a vastagbélben termelődött SCFA nagy része felszívódik a nyálkahártyán, és a bakteriális fermentációval képződött butirát több mint 85% -át a vastagbél hámsejtjei metabolizálják (8). Mindazonáltal a székletkoncentrációk fontos indikátort nyújthatnak a disztális vastagbél azon körülményeire vonatkozóan, ahol a vastagbélrák kockázata a legnagyobb. Invazív technikák kimutatták, hogy a vakbél- vagy portális vénákban a butirát áramlása szimulálja a sertések és az emberek vastagbélében a termelés mintázatát (5).

Két további csoportot figyeltek meg, amelyekről beszámoltak arról, hogy poliszacharidokat lebontó fajokat tartalmaznak: a bifidobaktériumokat (7) és a klaszter IV ruminococcusokat (23). A bifidobaktériumok szignifikáns csökkenést mutattak a csökkent szénhidrát-bevitel mellett, összhangban bizonyos prebiotikumok e csoportra korábban kifejtett hatásával (28). Általánosságban elmondható, hogy a fentiekben a XIVa klaszter baktériumcsoporttal kapcsolatban tárgyalt eredmények arra utalnak, hogy az étrenddel összefüggő ilyen populációváltozások nyilvánvalóbbá válhatnak, amint rendelkezésre állnak olyan szondák, amelyek kisebb és funkcionálisan koherensebb baktériumcsoportokat céloznak meg. Ez vonatkozhat például a Bacteroides nemzetségre, ahol ismert, hogy a fajok különböznek a szénhidrát-hasznosító képességek tekintetében (54).

A Roseburia és az E. rectale fajok népsűrűsége és a széklet-butirát koncentrációk közötti szoros összefüggés a megváltozott szénhidrátellátás hatására alátámasztja e baktériumok domináns szerepét a butiráttermelésben. A butirátgyártók másik, a F. prausnitziihez kapcsolódó csoportja körülbelül olyan számban volt jelen, mint a Roseburia spp. és E. rectale fenntartó adagoláskor (az összes baktérium 13,5% -a az összes baktérium 11,4% -ával szemben), de gyenge korrelációt mutatott a széklet-butirát koncentrációival. Ez azt jelzi, hogy ez a baktériumcsoport kisebb mértékben járul hozzá a széklet-butirát szénhidrátokból történő képződéséhez in vivo, összhangban az F. prausnitzii alacsonyabb mértékű butiráttermelésével, összehasonlítva a tiszta kultúrában található Roseburia törzsekkel (17).

A Roseburia spp. Populációiban megfigyelt változások és E. rectale csoportban, valamint a Bifidobacterium spp. lehet a következménye a szubsztrát elégtelenségének a növekedés támogatásához, de nem ez lehet az egyetlen oka. In vitro vizsgálatok folyamatos áramlású fermentorokkal, amelyeket emberi ürülékbaktériumokkal oltottak be, és kevert poliszacharid energiaforrással (főleg keményítővel) ellátva jelentős mennyiségű butirátot eredményeztek pH 5,5-nél (60). Ilyen körülmények között a Roseburia spp. és az E. rectale csoport, amelyet ismét az Rrec584 próbával figyeltünk meg, az összes baktérium körülbelül 20% -át tette ki. Amikor a pH-t 6,5-re növelték, ez a butirát koncentrációjának négyszeres csökkenését okozta, a Roseburia spp. Virtuális eliminációjával párosulva. 9 napos időtartam alatt (60), a folyamatos poliszacharid-ellátás ellenére. In vivo, alacsony pH (▿ Megjelenés előtt, 2006. december 22-én jelent meg.